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谷朊粉（英文名：vital wheat gluten[1]），又称活性面筋粉、[2]小麦面筋蛋白。[3]是以小麦为原料，用水洗去淀粉和其他水溶性物质后剩下的未变性的面筋体。它是小麦淀粉生产的副产物，蛋白质含量在80%以上。[2]谷朊粉呈淡黄色，[4]主要由分子量较小、呈球状、具有较好延伸性的麦醇蛋白与分子量较大、呈纤维状、具有较强弹性的麦谷蛋白组成。[2]
谷朊粉的氨基酸组成比较齐全，面筋蛋白质中所含的碱性氨基酸（精氨酸、组氨酸、赖氨酸）较少，含脯氨酸较多，约占氨基酸总量的14%，是营养丰富、物美价廉的植物性蛋白源。当谷朊粉吸水后则形成具有网络结构的湿面筋，具有优良的黏弹性、延伸性、热凝固性（水溶性蛋白质加热到临界温度就会变性，变性后就不易溶于水）、乳化性以及薄膜成型性。[2]传统产品中的面筋、烤麸、霉麸、古老肉、素肠、素鸡、素鸭、油面筋等，就是上述特性的简单应用。[5]谷朊粉在食品工业、饲料工业、医药工业、制造工业中都有应用。[6][7][8][9]
谷朊粉因其具有自然资源丰富、经济效益好等优点，已发展成为世界性商品，在盛产小麦的美国、加拿大、欧洲和澳大利亚等地均有大量生产，其利用与开发研究在日本、美国等国日益盛行。[5]利用一定的物理、化学或生物手段对谷朊粉进行处理，改性后可提高其功能特性，拓宽其使用范围，从而提高产品附加值，获得更高的经济效益。[10]
简介
谷朊粉又称活性面筋粉，是以小麦为原料，用水洗去淀粉和其他水溶性物质后剩下的未变性的面筋体，又称活性面筋，它是小麦淀粉生产的副产物，蛋白质含量在80%以上，主要由分子量较小、呈球状、具有较好延伸性的麦醇蛋白与分子量较大、呈纤维状、具有较强弹性的麦谷蛋白组成。且氨基酸组成比较齐全，面筋蛋白质中所含的碱性氨基酸（精氨酸、组氨酸、赖氨酸）较少，含脯氨酸较多，约占氨基酸总量的14%，是营养丰富、物美价廉的植物性蛋白源。当谷朊粉吸水后则形成具有网络结构的湿面筋，具有优良的黏弹性、延伸性、热凝固性、乳化性以及薄膜成型性。[2]
成分及含量
谷朊粉主要由分子量较小、呈球状、具有较好延伸性的麦醇蛋白与分子量较大、呈纤维状、具有较强弹性的麦谷蛋白组成，另外还含有少量淀粉、脂肪、矿物质等。[11]
| 成分 | 含量 | 成分 | 含量 | 成分 | 含量 |
|---|---|---|---|---|---|
| 麦谷蛋白（%） | 39.02 | 脂肪（%） | 2.80 | 钙（mg/100g） | 78 |
| 麦醇蛋白（%） | 43.02 | 糖类（%） | 3.12 | 镁（mg/100g） | 700 |
| 其它蛋白（%） | 4.40 | 灰分（%） | 2.00 | 铁（mg/100g） | 6.2 |
| 淀粉（%） | 6.45 | - | - | - | - |
| 参考资料[11] | |||||
根据在不同溶剂中的溶解性差异，可将谷朊粉中的蛋白质（面筋蛋白）分为4类：溶于水的麦清蛋白（9%）、溶于盐的麦球蛋白（5%）、溶于酒精溶液的麦醇蛋白（40%）和溶于稀酸或稀碱的麦谷蛋白（46%）。[11]
功能特性
溶解性
乳化性
起泡性及泡沫稳定性
食品中泡沫的形成原因是气泡分散于可溶性表面活性剂的连续液体或半固体相中的分散体系。快速搅拌时，空气进入到蛋白质溶液中，形成二维网络结构。泡沫形成后能够保持一定时间并具有一定抗破坏的能力称之为泡沫稳定性。谷朊粉的起泡性和泡沫稳定性与其溶解性有关，由于溶解性较差，其起泡性也受到影响。[10]
粘弹性
谷朊粉中的麦谷蛋白具有弹性，但延伸性较差；麦醇溶蛋白具有延伸性，但弹性较小。这两种蛋白结合作用使谷朊粉具有其它植物蛋白所没有的独特的黏弹性。谷朊粉的黏弹性直接表现为薄膜成型性。连续蛋白相包围着CO₂或水汽等物质，而内部充满气体，由于谷朊粉的弹性特点，使面筋呈海绵状或纤维状结构，形成薄膜面筋。[10]
凝胶性
凝胶作用的影响因素与形成凝胶的外界条件密切相关，如温度、pH值和盐浓度等。[12]
吸油性
持水性
小麦蛋白质与水的相互作用可分为吸水性能和持水性能两种，前者是“化学结合”，后者是“物理截留”。持水性主要由pH值决定而不是浓度。[12]
改性
在蛋白质化学中，结构决定其功能，因此想要增强和拓展谷朊粉的功能特性，就必须从改变蛋白质侧链和主链结构入手。目前我国对植物蛋白的改性技术主要有物理法、化学法和酶法。[10]
物理法改性
| 方法 | 简介 |
|---|---|
| 湿热法改性 | 湿热法处理是将谷朊粉置于水和弱酸条件下进行水浴加热处理，从而改变其乳化性。赵冬艳等对谷朊粉进行湿热法改性，试验分析得到的结论是：在pH值为4.0、温度为100℃的条件下，加入小麦蛋白的底物质量分数为9.0%，经过20min水浴处理后，其溶解度由7.67%提高到48.4%，乳化性也有显著提高 |
| 超高压法改性 | 超高压法是利用静高压（常用的压力范围是100—1000MPa）在一定温度下处理谷朊粉，引起非共价键的形成或破坏，从而改善谷朊粉的某些特性。钟昔阳通过超高压对谷朊粉进行改性研究，试验表明在一定的压力范围内和加压时间里，谷朊粉的溶解性有显著提高；当压力为400MPa时，作用10min，其乳化性及乳化稳定性、起泡性及起泡稳定性最佳 |
| 超声波法改性 | 高频振荡使得蛋白质分子内部间距增大，从而改善谷朊粉的某些特性。研究表明，当超声功率为720W、pH为8.5时，添加质量分数为8.8%的谷朊粉，经过8min处理后，其溶解性达到4.11mg/mL |
| 微波法改性 | 微波法是用HCl或NaOH溶液调节谷朊粉pH值后，置于不同频率的微波条件下处理，通过调整时间改善其特性。当功率为570W、pH值为5时，添加质量分数为9.59%的谷朊粉，利用微波处理100s后，谷朊粉的乳化性和起泡性得到显著提高。当微波功率为630W、pH值为4时，添加质量分数为0.1g/mL的谷朊粉，加热120s后，得到的谷朊粉黏性最佳为9.20mPa・s |
| 参考资料[10] | |
化学法改性
酶法改性
| 方法 | 简介 |
|---|---|
| 谷氨酰胺转氨酶法改性 | 谷氨酰胺转氨酶（MTG）能够催化蛋白质之间发生交联反应，使蛋白质改性，从而改善其谷朊粉的功能特性。陈海英研究将谷朊粉经MTG改性后，谷朊粉的分子量变大。经MTG作用后的谷朊粉，在分子内和分子间生成共价键，其中分子间的共价键可形成相对分子量较大的聚合物。其作用机理是以谷朊粉蛋白肽链上的谷氨酰胺残基的γ-羟基酰胺基为乙酰基供体，以多肽链中赖氨酸残基的ε-氨基作为酰基受体时，蛋白质在分子内或分子间形成ε-（γ-glutamyl）Lys共价键，利用该反应向蛋白质中引入赖氨酸来改善蛋白质的营养特性 |
| 碱性蛋白酶法改性 | 利用碱性蛋白酶水解蛋白质，通过改变反应条件优化改良方法并得到具有良好功能特性的改性谷朊粉。在研究了酶浓度、底物浓度、pH值等单因素对谷朊粉乳化活性和乳化稳定性的影响的基础上，再通过正交试验得到最佳改性条件：当pH值为8.0、温度为60℃时，添加浓度为10.0%的谷朊粉，水解4h后，水解度达到3.2%，此时乳化活性提高到77.02%，乳化稳定性提高到78.56%，较水解前乳化性有明显改善 |
| 木瓜蛋白酶法改性 | 木瓜蛋白酶与其它蛋白酶相比较，更耐高温。该酶可将蛋白质水解为小分子肽。为提高谷朊粉乳化性，试验得出水解的最佳条件为：当pH值7.0、反应温度为55℃时，添加质量分数为11.0%的谷朊粉及浓度为25μL/g（谷朊粉）的酶，作用2.0h后，水解度达到3.5%，此时谷朊粉乳化活性为72.4%，乳化稳定性为75.5%，乳化性较水解前有显著提高 |
| 参考资料[10] | |
微生物转谷氨酰胺酶法改性
微生物转谷氨酰胺酶法是使蛋白质催化交联的有效手段，可改善谷朊粉的凝胶作用。贾光锋利用转谷氨酰胺酶的交联作用研究改善谷朊粉的凝胶特性，当谷朊粉质量分数20%、酶浓度7—9U/g（谷朊粉）、pH值为2.5—3.5时，在30℃-40℃条件下，作用1—2h后，形成的谷朊粉凝胶质量最好。[10]
除以上列举的几种改性方法外，还有复合方法对谷朊粉进行改性，如磷酸化—酶法复合方法改性等。利用一定的物理、化学或生物手段对谷朊粉进行处理，改性后可提高其功能特性，拓宽其使用范围，从而提高产品附加值，获得更高的经济效益。[10]
基本情况
中国小麦年总产量在1亿t以上，谷朊粉加工原料充足，具有明显的加工和应用优势。据统计，全球谷朊粉年产量约60万吨，中国约为10万吨。谷朊粉在北美、欧洲、澳大利亚、日本等国家不同行业中都有广泛的应用。[6][注1]
| 用途 | 北美 | 欧洲 | 澳大利亚 | 日本 | 全世界 |
|---|---|---|---|---|---|
| 焙烤食品 | 83 | 17 | 54 | 30 | 63 |
| 面粉 | 1 | 66 | 9 | - | 14 |
| 肉制品 | 1 | - | 9 | 25 | 5 |
| 早餐谷物食品 | 1 | - | 12 | - | 2 |
| 面条 | - | - | - | 10 | - |
| 香肠 | - | - | - | 12 | - |
| 宠物食品 | 12 | 13 | 13 | - | 8 |
| 其他 | 2 | 4 | 3 | - | 23 |
| 参考资料[6][注1] | |||||
食品工业
面包、蛋糕等新型面制食品
通常面包粉中小麦蛋白含量少，筋力较弱，面包粉中添加粗粮会降低面团成团性，进而降低面制品的柔韧度、弹性和色泽，不能满足食品烘焙加工需求。谷朊粉具有良好的持水性和黏弹性，能保持面包内部的水分，延缓面包老化变味，使面包质地均匀、弹性适中、口感更佳，同时提升了面点制品的营养均衡性，增强了消费者的选择度。李永军将65%的湿面筋添加到苦荞面包中，增强了面团的光滑度和弹性，提升了面包制品的感官品质。结果表明，添加谷朊粉的面包体积大，感官评分高，但过量添加会使面包芯孔过大，使得面包纹理结构差，降低了面包的满意度评分。[6]
谷朊粉也可以应用到蛋糕类制品生产中，结果表明，酰化作用的小麦面筋蛋白引入了亲水基团，能明显提高溶解度、乳化度、起泡性、气泡稳定性，其代替蛋糕油应用到蛋糕制作中，能达到气孔均匀、细腻、口感香软的效果。[6]
饺子、面条等传统面制食品
在中国北方地区，面条和饺子在主食结构中占有很大比例。在面制食品中添加谷朊粉可以改善面制品的适口性、黏性、光滑性等指标。诸多研究均表明，添加谷朊粉可以增加面条中的蛋白质含量，增加面条的硬度、黏弹性、回复性、最大剪切力，促进了面筋网络结构的形成。此外，面团中添加谷朊粉还可以改变粉质流变学特性，达到降低面团稳定时间、减小弱化度、提高综合指标的效果。[6]
肉类食品
谷朊粉能够结合脂肪和水并增加蛋白质含量，应用于动物肉制品时还可以提高肉制品黏弹性、持水性和热固性，发挥粘合剂的作用。生产香肠制品时添加2—3%的谷朊粉，可使其久煮久炒不碎；在脂肪含量多的富肉香肠制品中，其乳化性表现更为明显。研究人员在鱼糕和鱼肉香肠中添加谷朊粉，增强了鱼糕的弹性，解决了鱼肉香肠因加热灭菌而使品质下降的矛盾。研究人员将谷朊粉作为粘合剂用于肉饼、牛排粘合肉、禽卷、罐装汉堡包和面包切片等的加工生产。谷朊粉可以作为替代肉制品的优质素食食材。研究表明，谷朊粉可以加工成颗粒以代替冷冻状态的肉糜，或加工成糊状或纤维蛋白制品充当肉糜类馅料替代物。但在畜禽肉制品加工过程中应特别注意畜禽肉的灭菌温度为70~75℃，而谷朊粉（面筋蛋白）与其它蛋白质不同，对热的敏感性差，其热凝固温度为80℃，这两者之间有一定差距，因而作为粘合剂使用的谷朊粉应先进行改性处理。[6]
食用膜生产
早期食品包装常用塑料制品，但塑料制品具有难降解、影响包装食品固有风味的缺点。谷朊粉具有质地均匀、机械性能强、相对不溶于水、可降解、与生物相容等优势，可在食用膜生产中广泛应用。谷朊粉制膜可分为单纯膜和复合膜2类。复合膜又可分为与蛋白类复合成膜、与脂类复合成膜、与多糖类复合成膜3类。[6]
| 类型 | 简介 |
|---|---|
| 与蛋白类复合成膜 | 谷朊粉可以蛋白质为基质复合成膜，分为植物蛋白合成膜和动物蛋白合成膜。植物蛋白合成膜采用蛋白丰富的大豆、玉米、高粱、小麦等作物及其副产物制膜。动物蛋白合成膜则选用酪蛋白、鱼肌原纤维蛋白等原料复合成膜。王章存等以谷朊粉为主要原料，添加25%大豆分离蛋白制备谷朊粉大豆分离蛋白复合膜。张春红等以25%的玉米醇溶蛋白添加制备谷朊粉玉米醇溶蛋白复合膜 |
| 与脂类复合成膜 | 脂类因具有良好的疏水性能，可作为食用制膜材料。常用脂类物质有乙酰化单甘脂、硬脂酸、软质酸等。研究表明，脂质与谷朊粉用量配比增加，抗拉强度下降，延伸率上升。Gontard等研究表明，谷朊粉与蜂蜡复合可获得阻水性较佳的膜，但是缺乏透明性和强机械性能 |
| 与多糖类复合成膜 | 多糖具有长链螺旋分子结构，化学性质稳定，制膜后具有抗拉强度高、透明度好等性能，并且利于长时间储存。研究表明，谷朊粉添加多糖类物质制备合成膜提高了膜的机械性、阻水性、阻氧性并增强了膜的透光率，其中添加果胶可使膜的水蒸汽透过率下降12.75%，阻氧性、抗拉强度和断裂伸长率分别提高18.54%、20.31%、30.63% |
| 参考资料[6] | |
此外，也有学者将蛋白质、脂类、多糖按一定比例制作成复合膜，使复合膜具有阻水性、阻氧性、强抗拉性、强透光率和机械性等多重优良特性。优质可食用膜既可以保证包装食品的安全性，也可以保持其固有风味，是谷朊粉在食品行业的另一研究方向。[6]
其他食品领域
除面制品、食用膜工艺、肉类及人造肉类食品中应用谷朊粉外，在酿酒及饼干零食类食品中也有所应用。研究人员利用小麦蛋白粉在最佳工艺下获得多肽含量为5.20mg/mL的小麦多肽酒。研究人员以糯玉米粉和普通玉米粉配比2:3为比例，添加2%谷朊粉制作的玉米曲奇饼干的酥松度及感官较好。在啤酒制造过程中，胃蛋白酶和碱性蛋白酶酶解谷朊粉可以改善啤酒初始持泡性及稳定性。谷朊粉可以作为葡萄汁和酒制品的澄清剂，从而降低葡萄汁色价、总酸及总酚含量。经酶解的谷朊粉可获得功能性多肽，从而制备多肽酒。用谷朊粉制造的酱油同传统酱油相比，拥有浅色，缓慢褐变率，优良的风味和良好的稠度。[6]
饲料工业
谷朊粉在饲料工业中用于生产高档水产品如螃蟹、鳗、鳖、对虾等饲料的黏结剂和营养强化添加剂，不仅提高了饲料的营养价值，在制作悬浮饲料时，其吸水后的悬浮性，自然黏弹性还提高了饲料在饲喂中的综合利用率。高档谷朊粉具有“清淡醇味”或“略带谷物口味”，当其与其他成分混合制成饲料后，可以说色香味俱全，特别适合于各种宠物的口味，这样大大增加了饲料的利用率。[7]
谷朊粉的吸水性在饲料中的应用
高质量的谷朊粉当温度为30～80℃时能迅速吸入2倍重的水分，其中蛋白质含量为75%～80%（干基），干基谷朊粉吸水时蛋白质含量随着吸水量的增加而下降，直至吸足水，含水量为65%，含蛋白质25.27%，这种性能能够防止水分分离，提高保水性。当谷朊粉与饲料中的其他成分充分拌和，并由于其强力的黏附能力，很容易将饲料造型成颗粒，投放到水中吸水后使其中的饲料颗粒被充分包络在湿面筋网络结构中并悬浮于水中，营养不会损失，大大提高了动物对其的利用率。[7]
谷朊粉的营养性在饲料工业中的应用
通过前面谷朊粉的营养成分分析，其蛋白质含量高、氨基酸组成比较齐全，是一种理想的天然蛋白质源。同样，在饲料工业中，可以利用其优良的蛋白源作为高档动物及宠物的饲料。在饲料加工过程中，只要将谷朊粉与其他食物性蛋白按比例混合，并根据动物饲料的特性及其所缺的必需成分进行合理搭配就能制成各种动物的专用饲料。[7]
医药工业
近年的研究发现，某些食物蛋白质肽链中蕴藏着生物活性肽。它们在蛋白质降解过程中释放出来，发挥代谢调节作用。小麦面筋蛋白经碱性蛋白酶、胃酶、胃酶和胰酶复合水解制备的3种短肽具有较好的镇痛作用和较好的阿片活性。此外，面筋蛋白还可以用于药物的释放。Andreani L等分别用小麦面筋蛋白和面筋/聚乙二醇复合物对地尔硫包封成胶囊，包封率高，且添加聚乙二醇后增加了微球体的多孔性，也影响了模型药物的体外释放。Mascheroni E等以谷朊粉为基质制备了医用抗菌剂（香芹酚）传递系统，结果发现，填充高含量（≥5%）蒙脱石颗粒后，很好地保留并保护了香芹酚的抗菌活性。随着医药研究的不断深入，必将进一步拓宽面筋蛋白的应用范围。[8]
制造工业
谷朊粉作为一种优质的蛋白资源，具有成膜性、乳化性、黏结性、热塑性等功能特性，这些都为其在工业具有广阔的应用空间打下了基础。随着煤炭、石油等不可再生资源被不断地开采，资源日益枯竭，人们对怎样将谷朊粉作为原料运用到工业产品的生产重新产生了兴趣。1971年，Noznichk和Tatter研制出谷朊粉胶囊，所制得的胶囊能够延缓色泽的衰退、减少风味物质的释放和药物有效成分的散失。1982年，Winter发明了用甲醛将小麦蛋白改性，可用于选择性地吸附回收重金属离子。1989年，Tsuda和Hann等利用部分水解后的谷朊粉合成出性能良好的去污剂。1996年，McGuire等对谷朊粉进行酸碱改性后与害虫控制剂混合制成喷雾型害虫控制剂，能够很好让控制剂吸附在植物表面和害虫体表毛发上，达到有效控虫的目的。2003年，Bassi等将利用焦亚硫酸钠还原所得的谷朊粉添加到纸浆涂膜原料中，能够起到增加产品光泽度的效果。2004年，Woerd等对谷朊粉进行硫醇改性，能够制成工业用可降解膜。[9]
在膜制作中需要对面筋蛋白进行酸、碱、热、高压、超声或增塑等处理以提高膜的综合性能。通过对影响成膜的因素进行分析和优化，可以制备具有良好物理性能的谷朊粉膜。研究包括：脂质/小麦蛋白复合膜、玉米醇溶蛋白/谷朊粉复合膜、谷朊粉/大豆分离蛋白复合膜等。与传统的塑料膜相比，面筋蛋白膜有巨大的优势。蛋白膜将会朝着复合型、多功能性的方向发展，广泛应用于饮料、果蔬等食品包装上。[8]
其他应用
经甲醛交联后的小麦蛋白可作为金属离子吸附剂，有选择地回收重金属离子。用甲醛羟甲基化后再用环氧氯丙烷阳离子化改性后的小麦蛋白，能提高纸张的干抗张强度和湿强度，作为纸张的干强剂和湿强剂有很大的应用前景。用血色素、肌球素、山葵过氧化物酶与面筋蛋白膜制备石墨电极，还可以检测溶液中H₂O₂的浓度。谷朊粉在乳胶漆中使用，能使涂料具有良好的粘结力、流平性、涂膜外观、耐水性以及耐洗刷等性能，提高了与涂料乳液的相容性，降低了产品成本。[8]
意义
现状及发展
据统计，国际市场对谷朊粉的需求量呈日益增长趋势；中国市场规模也迅速扩大，已从20世纪90年代不足1000t增至年消费10万吨以上，且每年以15%以上的速度递增，2010年中国年产量已达30万吨。作为无胆固醇的营养蛋白，小麦谷朊粉随人民生活水平提高将更受青睐，而美国、澳大利亚的产量占全球70%。[12]
截至2011年，谷朊粉的研究和利用主要集中在食品、饲料工业，高附加值应用研究较少；且现有研究多聚焦其整体特性，对具体组分及功能特性的探究不足。因此，未来开发需从两方面推进：一方面加强基础性研究，明确其组分的结构、功能及对应关系，从本质上认识谷朊粉，为以后应用奠定理论基础；另一方面，通过物理、化学或生物方法改性以拓宽应用领域，但需注意化学改性在产生预期效果的同时可能造成有害的营养和毒理效应（已导致其在食品加工中的应用受限），且改性机理及相关营养、毒理学问题的研究较匮乏，这是食品应用中需重视的问题。[8]
谷朊粉营养价值高，改性后加工特性更优，已广泛用于食品、饲料等工业。中国内外需求量持续增长，其开发空间与市场潜力巨大，而研究新的改性方法、提升功能特性、实现规模化生产，是待解决的重要问题。[10]
参考资料 12
- 参考 1
- 参考 2
- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- 参考 9
- 参考 10
- 参考 11
- 参考 12
注释
- 数据截至2018年